CN103645345A - 多轴电容式加速度计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多轴电容式加速度计，所述多轴电容式加速度计的XY轴结构层的弹性结构采用中间长、两边递减的扇形结构，该扇形结构具有较好的应力释放能力，并且相对于传统的长条形的折叠梁结构而言其长度较短，形成于基底上的用作布线的第一层多晶硅可不经过所述弹性结构正下方，可减小工艺制作过程中由于底层布线形成的台阶对所述弹性结构性能的影响。

Description

多轴电容式加速度计

技术领域

本发明涉及一种探测加速度的微机电结构，尤其涉及一种多轴电容式加速度计。

背景技术

采用表面工艺制作的微机电（Micro-Electro-Mechanic System，简称MEMS）惯性传感器是以硅片为基体，通过多次薄膜淀积和图形加工制备的三维微机械结构。常用的薄膜层材料包括：多晶硅、氮化硅、二氧化硅和金属。典型的工艺步骤包括：基片准备，一次氧化形成绝缘层，淀积第一层多晶硅，刻蚀多晶硅形成电极和互连线，二次氧化形成牺牲层，氧化层刻蚀形成通孔，淀积第二层多晶硅，淀积金属层，刻蚀金属层形成互连线，刻蚀第二层多晶硅形成机械结构图形，最后去除牺牲层形成可动结构单元。

加速度计，即加速度感应器，是一种能够测量加速力的电子设备，是微机电（MEMS）惯性传感器常用器件之一。加速度感应器主要应用在位置感应、位移感应或者运动状态感应等。如，在手机上使用加速度感应器，就可以探测到手机的放置状态，是平放还是倾斜等，根据状态启动不同的程序以达到某种效果，再如，可应用到笔记本电脑上，来探测笔记本的移动状况，并根据这些数据，系统会智能地选择关闭硬盘还是让其继续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了电脑所造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用途就是目前使用的数码相机和摄像机中也采用加速度传感器，用于检测拍摄时候的手部的振动，并根据这些振动自动调节相机的聚焦。

加速度计主要包括双轴加速度计和三轴加速度计。双轴加速度计检测X轴和Y轴方向的加速度值。三轴加速度计检测X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度值，其中，X轴和Y轴加速度计用于检测作用在与主平面平行的两个相互正交方向上的加速度，Z轴加速度计用于检测作用在与主平面垂直方向上的加速度。通常，加速度计主要由可动质量块、固定锚点、弹性结构和固定电极等组成。其中，弹性结构一端与固定锚点相连，另一端与可动质量块相连，固定电极与可动质量块之间形成可变电容。当外部加速度作用在可动质量块上时形成惯性力，该惯性力对可动质量块形成位移量，电容式加速度计通过感应固定电极与可动质量块之间的电容变化来检测位移变化量，从而确定外部加速度。

多轴电容式加速度计的主要指标有：灵敏度、线性度、温度漂移以及抗冲击能力。然而，实践中发现，目前的多轴电容式加速度计的温度漂移以及抗冲击能力性能仍不能满足要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种具有较强的应力释放能力和较小温度漂移的多轴电容式加速度计。

为解决上述技术问题，本发明提供一种多轴电容式加速度计，包括基底以及XY轴结构层，所述XY轴结构层包括可动质量块、中心锚点、弹性结构以及多个检测电极，所述多个检测电极用于检测X方向和Y方向的加速度，所述可动质量块与中心锚点以及弹性结构相连，所述弹性结构为扇形折叠梁结构。

本发明还提供另一种多轴电容式加速度计，包括基底和XY轴结构层，所述XY轴结构层包括可动质量块、中心锚点、弹性结构以及多个检测电极，所述多个检测电极用于检测X方向和Y方向的加速度，所述可动质量块与所述中心锚点和弹性结构相连，所述中心锚点为具有缺口的结构，所述弹性结构为扇形折叠梁结构。

与现有技术相比，本发明的多轴电容式加速度计的XY轴加速度计的弹性结构采用中间长、两边递减的扇形结构，该扇形结构具有较好的应力释放能力。进一步的，所述扇形结构相对于传统的长条形的折叠梁结构而言长度较短，如此，形成于基底上的用作布线的第一层多晶硅可以不经过弹性结构正下方，可减小工艺制作过程中由于底层布线形成的台阶对弹性结构性能的影响。

另外，本发明的多轴电容式加速度计的XY轴加速度计的中心锚点采用带缺口的正方形，减小了温度变化时由于基底和中心锚点的材料热膨胀系数不同而产生的应力，因而减小了中心锚点的形变，进而减小了温度漂移。

附图说明

图1是本发明实施例一的多轴电容式加速度计的整体示意图；

图2a是图1中中心锚点的示意图；

图2b是另一种中心锚点的示意图；

图3是图1中弹性结构的示意图；

图4是图1中检测电容的示意图；

图5是图1中检测电容对应的底层布线的示意图；

图6是本发明实施例二的多轴电容式加速度计的整体示意图；

图7是图6所示结构的基底发生翘曲时沿着直线a的截面示意图；

图8是图6中Z轴结构层的示意图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的多轴电容式加速度计的温度漂移以及抗冲击能力性能仍不能满足要求。经本申请人发明人长期研究发现，这是因为传统的多轴电容式加速度计的弹性结构通常是长条形的折叠梁结构，长度相对较长，一方面抗冲击能力较弱，另一方面弹性结构底下的布线（电极和互连线）可能会影响弹性结构的刚度。为此，本发明提供一种多轴电容式加速度计，其XY轴加速度计的弹性结构采用中间长、两边递减的扇形结构，该扇形结构具有较好的应力释放能力；并且相对于传统的长条形的折叠梁结构而言该扇形结构的长度较短，如此，形成于基底上的用作布线的第一层多晶硅可以不经过弹性结构正下方，可减小工艺制作过程中由于底层布线形成的台阶对弹性结构性能的影响。

此外，传统的多轴电容式加速度计的XY轴加速度结构，起支撑作用的中心锚点为规则的正方形，其加工过程中产生的应力较难释放。为此，本发明的多轴电容式加速度计中，XY轴加速度计的中心锚点采用带缺口的正方形，减小了温度变化时由于基底和中心锚点的材料热膨胀系数不同而产生的应力，因而减小了中心锚点的形变，进而减小了温度漂移。

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

【实施例一】

本实施例的多轴电容式加速度计是双轴电容式加速度计，即X和Y轴加速度计。图1是本实施例的多轴电容式加速度计的整体示意图。如图1所示，所述多轴电容式加速度计包括基底（图1中未示出）和XY轴结构层，所述XY轴结构层包括可动质量块31，中心锚点32，弹性结构33以及检测电极34a、34b。

继续参考图1，本实施例中，XY轴结构层1a共包含八个检测电极，八个检测电极对称分布于可动质量块31的四个顶角，该放置方式有效的利用了芯片面积，有利于提高加速度计的灵敏度。详细的，其中四个检测电极34a对称分布于中心锚点32的左右两侧，用于检测X方向的加速度；另外四个检测电极34b对称分布于中心锚点32的上下两侧，用于检测Y方向的加速度。即，所述八个检测电极以中心锚点32为中心呈辐射状分布于其四周。当然，本发明并不限定检测电极的数量和排布方式，还可设置其它数量例如四组检测电极以及采取其它方式例如以中心锚点32为中心等间距排布在中心锚点32的周围。

图2a是图1的中心锚点的示意图。如图2a所示，XY轴结构层1a的中心锚点32的形状为四角带缺口的正方形。具体地说，中心锚点32大致呈十字形，十字交叉点处向内凹陷形成缺口41、42、43、44，所述缺口41、42、43、44的形状相同，均是方形。在实践中发现，由于基底与中心锚点32的材料不同，相应的热膨胀系数也不同，例如基底为单晶硅，其热膨胀系数典型值为2.5E-6(1/K)，中心锚点32为多晶硅，其热膨胀系数典型值为4.7E-6(1/K)，当不同热膨胀系数的材料相互接触且温度发生变化时，则会产生应力，从而产生形变。本实施例的多轴电容式加速度计采用带缺口的中心锚点结构，该缺口有利于释放应力，从而减小形变，进而减小温度漂移。可以理解的是，本发明的中心锚点的形状并不局限于十字形，其它带缺口的形状均在本发明的创作精神所包含的范围内。例如，中心锚点32’的形状同样为四角带缺口的正方形，缺口41’、42’、43’、44’均呈梯形，如图2b所示，亦可实现释放应力的目的。

图3是图1中弹性结构的示意图。如图3所示，XY轴结构层1a的弹性结构33为中间长、两边递减的扇形折叠梁结构。这种扇形折叠梁结构一方面具有较好的应力释放能力，另一方面在不影响弹性结构刚度的条件下，扇形折叠梁结构整体长度可以比传统的长条形折叠梁结构长度短，如此，弹性结构33布局时可以绕过基底10上的布线，即所述弹性结构33与其底层的布线错开设置，亦即，用作布线的第一层多晶硅可以不经由弹性结构33正下方，因而大大减小了工艺制作过程中由于底层布线形成的台阶对弹性结构刚度的影响。

图4是图1中检测电容的示意图。结合图1和图4所示，每组检测电极包括：第一检测电极61以及第二检测电极62和63。第一检测电极61与可动质量块31相连，可动质量块31与中心锚点32以及弹性结构33相连，第二检测电极62和63分别固定于基底10表面上。当受到Y方向的加速度时，第一检测电极61与可动质量块31一起运动，因而第一检测电极61与第二检测电极62和63之间的电容值一个增加、一个减小，通过输出电路对两个电容值做差分处理即可得出相应的加速度。输出电路结构以及差分处理方法是本领域公知技术，在此不予赘述。

本实施例中，所述多轴电容式加速度计还包括多个止动块35，均匀分布于所述可动质量块31的周围并与所述可动质量块31相连。较佳的，共包含四个止动块35，四个止动块35对称分布在多轴电容式加速度计的四个顶角，用于减小外部冲击力对多轴电容式加速度计的影响，避免影响其灵敏度。

本实施例中，所述多轴电容式加速度计还包括形成于基底10上的布线（电极和互连线）。基底10例如是硅基底，其中绘示于图1中的可动质量块31，中心锚点32，弹性结构33，检测电极34a、34b可通过蚀刻工艺而为一体成形的结构。此外，XY轴结构层还包括金属层（图中未示出），用以将产生的感测信号传递至基底10上的布线。

具体的，所述多轴电容式加速度计可通过如下工艺步骤包括：基底准备，一次氧化形成绝缘层，淀积第一层多晶硅，刻蚀第一层多晶硅形成电极和互连线，二次氧化形成牺牲层，牺牲层刻蚀形成通孔，淀积第二层多晶硅，淀积金属层，刻蚀金属层形成互连线，刻蚀第二层多晶硅形成机械结构图形即结构层，最后去除牺牲层形成可动结构单元即加速度计。

图5是图1中检测电容对应的底层连线示意图。结合图1和图5所示，本实施例中，中心锚点32位于中心，四个止动块35均匀分布于四角，中心锚点32与位于四角的止动块35相连。具体地说，所述基底10上的布线包括四条止动块连线35’和四组第二检测电极连线62’、63’（共八条第二检测电极连线）。中心锚点32与四个止动块35均通过第二层多晶硅形成，第二检测电极连线62’、63’与止动块连线35’均通过第一层多晶硅形成。四个止动块35通过四条止动块连线35’与中心锚点32连接，大致呈X形分布于基底10上。第二检测电极连线62’与第二检测电极连线63’均是弯折成三段的折线，每组第二检测电极连线62’、63’平行分布于两条止动块连线35’之间的基底空白处，第二检测电极连线62’在内侧，第二检测电极连线63’位于第二检测电极连线62’外侧，弹性结构33正对于第二检测电极连线63’的外侧。即，第二检测电极62和63的连线未分布在弹性结构33正下方，可以避免工艺制作过程中连线上方的弹性结构形成台阶，从而消除了其对弹性结构刚度的影响。

【实施例二】

本实施例的多轴电容式加速度计是三轴电容式加速度计，即，包括如实施例一所述的X和Y轴加速度计，还包括Z轴加速度计。具体如图6所示，所述的X和Y轴加速度计包括XY轴结构层1a，所述Z轴加速度计包括位于XY轴结构层1a两侧的扭摆式Z轴结构层1b、1c，所述XY轴结构层1a整体呈正方形，所述Z轴结构层1b、1c整体呈长方形，以尽可能节省面积。

图7是图6所示结构的基底发生翘曲时沿着直线a的截面示意图，图8是图6中Z轴结构层1b的示意图。如图6至图8所示，Z轴结构层1b、1c包括：可动质量块17、18，固定锚点15b、15c，弹性结构16b、16c，固定电极11、12、13、14。

继续参考图6、图7和图8，固定电极11、12、13、14分别固定于基底10表面上。固定电极11和固定电极12宽度相同，且关于Z轴结构层1b的弹性结构16b对称。固定电极13和固定电极14宽度相同，且关于Z轴加速度计1c的弹性结构16c对称。弹性结构16b与固定锚点15b和可动质量块17相连，如此，可动质量块17可浮置于基底10上方，固定电极11、12与可动质量块17之间形成可变电容；类似的，弹性结构16c与固定锚点15c和可动质量块18相连，如此，可动质量块18可浮置于基底10上方，固定电极13、14与可动质量块18之间形成可变电容。所述弹性结构16b、16c可以是弹片或者弹簧或及其等效的构件。Z轴结构层1b、1c对应的可动质量块17、18通过固定锚点15b、15c下的第一层多晶硅电学上相连，固定电极11和固定电极13电学上相连，固定电极12和固定电极14电学上相连。

优选的，Z轴结构层1b的可动质量块17的质心不在弹性结构16b上，Z轴加速度计1c的可动质量块18的质心不在弹性结构16c上。即，固定锚点15b、15c左右两侧的可动质量块宽度不同，因而对应的质量不同。Z轴结构层1b的弹性结构16b左侧的可动质量块的质量与Z轴结构层1c的弹性结构16c左侧的可动质量块的质量相同，所述Z轴结构层1b的弹性结构16b右侧的可动质量块的质量与所述Z轴结构层1c的弹性结构16c右侧的可动质量块的质量相同。也就是说，XY轴加速度计左侧的Z轴可动质量块较宽部分靠近XY轴加速度计，XY轴加速度计右侧的Z轴可动质量块较窄部分靠近XY轴加速度计。

本实施例还提供一种多轴电容式加速度计进行加速度检测的方法，当存在沿Z轴的外部加速度时，两个Z轴结构层的可动质量块分别绕与其连接的弹性结构做扭摆运动；其中一个Z轴结构层的可动质量块与该Z轴结构层的一个固定电极之间的电容值为C1，另一个Z轴结构层的可动质量块与该Z轴结构层的一个固定电极之间的电容值为C2，所述其中一个Z轴结构层的可动质量块与该Z轴结构层的另一个固定电极之间的电容值为C3，所述另一个Z轴结构层的可动质量块与该Z轴结构层的另一个固定电极之间的电容值为C4，通过检测所述电容值C3与C4之和与所述电容值C1与C2之和的差值确定Z轴的外部加速度。

详细的，当存在沿Z轴的外部加速度时，则在惯性力的作用下可动质量块17、18会绕弹性结构16b、16c做扭摆运动。若外部加速度指向Z轴负方向时，则可动质量块17靠近固定电极12，远离固定电极11，相应地，可动质量块17与固定电极12之间的电容值增加，可动质量块17与固定电极11之间的电容值减小。类似地，可动质量块18靠近固定电极14，远离固定电极13，相应地，可动质量块18与固定电极14之间的电容值增加，可动质量块18与固定电极13之间的电容值减小。固定电极11和13电学上相连，固定电极12和14电学上相连，若可动质量块17与固定电极11之间的电容值C1和可动质量块18与固定电极13之间电容值C2之和为Ca，可动质量块17与固定电极12之间的电容值C3和可动质量块18与固定电极14之间电容值C4之和为Cb，则两者之差ΔC=Cb-Ca=(C3+C4)-(C1+C2)，通过检测ΔC即可获得外部加速度。

更详细地，当封装等应力较大时，基底10可能会向上或者向下翘曲，以向上翘曲为例，若Z轴加速度计的可动质量块17、18如图6所示放置，则可动质量块17与固定电极12之间的应力形变引起的电容值变化量ΔC3近似于可动质量块18与固定电极13之间的应力形变引起的电容值变化量ΔC2；类似地，可动质量块17与固定电极11之间的应力形变引起的电容值变化量ΔC1近似于可动质量块18与固定电极14之间的应力形变引起的电容值变化量ΔC4，则ΔC=Cb-Ca=((C3+ΔC3)+(C4+ΔC4))–((C1+ΔC1)+(C2+ΔC2))≈(C3+C4)-(C1+C2)；即上述放置可以基本消除基底翘曲引起的检测电容值变化量。

所述Z轴结构层的可动质量块17、18，固定锚点15b、15c，弹性结构16b、16c可通过蚀刻和熏蒸工艺而为一体成形的结构（刻蚀工艺形成相应的图形，熏蒸工艺将可动质量块下的牺牲层移除），可与XY轴结构层的可动质量块31，中心锚点32，弹性结构33，检测电极34a、34b一同利用第二层多晶硅形成，所述固定电极11、12、13、14与基底上的布线同是利用第一层多晶硅形成，所述固定电极11与固定电极13通过基底上的固定电极连线（图中未示出）电学上相连，所述固定电极12与固定电极14通过基底上的固定电极连线（图中未示出）电学上相连。详细的，所述固定电极11、12、13、14与固定电极连线、第二检测电极连线62’、63’以及止动块连线35’均通过第一层多晶硅形成。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例二公开的电容式加速度计的XY轴结构层而言，由于与实施例一公开的电容式加速度计的XY轴结构层相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见实施例一对应部分即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种多轴电容式加速度计，其特征在于，包括基底和XY轴结构层，所述XY轴结构层包括可动质量块、中心锚点、弹性结构以及多个检测电极，所述多个检测电极用于检测X方向和Y方向的加速度，所述可动质量块与所述中心锚点和弹性结构相连，所述弹性结构为扇形折叠梁结构。

2.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述多轴电容式加速度计还包括形成于所述基底上的布线，所述XY轴结构层的弹性结构与所述布线错开设置。

3.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述XY轴结构层包括八个检测电极，所述八个检测电极以所述中心锚点为中心呈辐射状分布于其四周；其中四个检测电极对称分布于中心锚点的左右两侧，用于检测X方向的加速度；另外四个检测电极对称分布于中心锚点的上下两侧，用于检测Y方向的加速度。

4.如权利要求3所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，每个所述检测电极均包括第一检测电极以及两个第二检测电极，所述第一检测电极与所述XY轴结构层的可动质量块相连，所述两个第二检测电极固定于所述基底上。

5.如权利要求1所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述XY轴结构层还包括固定于所述基底上的多个止动块，所述多个止动块均匀分布于所述XY轴结构层的可动质量块的周围并与所述XY轴结构层的可动质量块相连。

6.一种多轴电容式加速度计，其特征在于，包括基底和XY轴结构层，所述XY轴结构层包括可动质量块、中心锚点、弹性结构以及多个检测电极，所述多个检测电极用于检测X方向和Y方向的加速度，所述可动质量块与所述中心锚点和弹性结构相连，所述中心锚点为具有缺口的结构，所述弹性结构为扇形折叠梁结构。

7.如权利要求6所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述中心锚点呈十字形，其十字交叉点处向内凹陷形成缺口。

8.如权利要求7所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述缺口为方形缺口或梯形缺口。

9.如权利要求6所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述多轴电容式加速度计还包括形成于所述基底上的布线，所述XY轴结构层的弹性结构与所述布线错开设置。

10.如权利要求6所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述XY轴结构层包括八个检测电极，所述八个检测电极以所述中心锚点为中心呈辐射状分布于其四周；其中四个检测电极对称分布于中心锚点的左右两侧，用于检测X方向的加速度；另外四个检测电极对称分布于中心锚点的上下两侧，用于检测Y方向的加速度。

11.如权利要求10所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，每个所述检测电极均包括第一检测电极以及两个第二检测电极，所述第一检测电极与所述XY轴结构层的可动质量块相连，所述两个第二检测电极固定于所述基底上。

12.如权利要求6所述的多轴电容式加速度计，其特征在于，所述XY轴结构层还包括固定于所述基底上的多个止动块，所述多个止动块均匀分布于所述XY轴结构层的可动质量块的周围并与所述XY轴结构层的可动质量块相连。

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